湯珍

摘 要：《浮力》一節(jié)是綜合應(yīng)用前面所學(xué)的壓力、重力、二力平衡、受力分析等知識展開的.由于涉及的物理量多、關(guān)系復(fù)雜、需要定量計(jì)算，再加上學(xué)生較難透過現(xiàn)象看本質(zhì)，本節(jié)往往成為學(xué)生物理學(xué)習(xí)的分化點(diǎn)之一。本案例從PCK理論的4個(gè)維度出發(fā)，對浮力概念進(jìn)行教學(xué)解析.并據(jù)此給出相應(yīng)的教學(xué)策略，有效突破學(xué)生學(xué)習(xí)浮力時(shí)的困難。

關(guān)鍵詞：PCK理論；浮力；教學(xué)案例

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1992-7711（2018）13-030-2

一、引言

1.PCK理論的內(nèi)容

“學(xué)科教學(xué)知識”（Pedagogical Content Knowledge）理論，簡稱“PCK”理論，是20世紀(jì)80年代美國斯坦福大學(xué)教授舒爾曼（Lee Shulman）針對當(dāng)時(shí)美國教師資格認(rèn)證過程中看到“學(xué)科”的缺失而提出來的重要概念，認(rèn)為教師除了具備學(xué)科知識、一般教學(xué)知識外，必須在教學(xué)中發(fā)展另一種新的知識——“學(xué)科教學(xué)知識，即“關(guān)于教師將自己所掌握的學(xué)科知識轉(zhuǎn)化成學(xué)生易于理解的形式的知識”[1]。

2.中學(xué)物理教師的PCK四維度

國內(nèi)外人們對PCK的關(guān)注都緣起于教師教育的困境：物理師范生的教育中，學(xué)科知識和普通教育學(xué)知識基本是割裂開來的，而忽視了它們之間的聯(lián)結(jié)。這使得教師難以將學(xué)科知識有效地轉(zhuǎn)化為學(xué)生能懂、能應(yīng)用的知識。筆者以舒爾曼、格魯斯曼的研究為基礎(chǔ)，根據(jù)物理學(xué)科的特點(diǎn)和中學(xué)物理教師的實(shí)際情況，建構(gòu)了符合中學(xué)物理教師特點(diǎn)的PCK四個(gè)維度：（1）課題最核心的內(nèi)容及其教育價(jià)值；（2）內(nèi)容之間的聯(lián)系；（3）學(xué)生的學(xué)情和可能出現(xiàn)的難點(diǎn)；（4）幫助學(xué)生學(xué)會(huì)的策略；（5）實(shí)驗(yàn)的操作和價(jià)值挖掘。

二、基于PCK理論的《浮力》教學(xué)案例

1.所講課題最核心的內(nèi)容及其教育價(jià)值

《浮力》位于蘇科版《物理》八年級下冊第十章《壓強(qiáng)和浮力》的第四節(jié)，是本章的重難點(diǎn)，本課涉及最核心的內(nèi)容有：通過實(shí)驗(yàn)探究，認(rèn)識浮力及產(chǎn)生原因；學(xué)會(huì)用彈簧測力計(jì)測量浮力；探究浮力大小與哪些因素有關(guān)以及阿基米德原理。本課可分為兩部分：①認(rèn)識浮力：學(xué)生利用已有的經(jīng)驗(yàn)看圖討論，初步認(rèn)識浮力的存在；然后通過觀察乒乓球在水里向上浮起，知道浮力的方向豎直向上；進(jìn)而通過活動(dòng)“下沉的物體是否受到浮力”，讓學(xué)生認(rèn)識到浸在液體或氣體中的物體都會(huì)受到浮力。該活動(dòng)還使學(xué)生學(xué)會(huì)“二次稱重法”測浮力，為下面的探究做準(zhǔn)備②阿基米德原理：教材沒有直接通過實(shí)驗(yàn)探究浮力大小規(guī)律，而是安排了“探究影響浮力大小的因素”學(xué)生實(shí)驗(yàn)。雖然是定性實(shí)驗(yàn)，但對學(xué)生學(xué)習(xí)探究方法來說是全面的，且降低了定量要求。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，教材直接給出了F浮=G排，再通過數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出浮力和液體密度、排開液體體積的關(guān)系式。學(xué)生由公式可以進(jìn)一步認(rèn)識實(shí)驗(yàn)結(jié)論和阿基米德的原理之間的內(nèi)在聯(lián)系。

2.內(nèi)容之間的聯(lián)系

《浮力》是《壓強(qiáng)和浮力》的重點(diǎn)章節(jié)，其中探究影響浮力大小的因素和阿基米德原理為下一節(jié)學(xué)習(xí)物體的浮沉條件奠定基礎(chǔ)。學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)之前已經(jīng)學(xué)習(xí)過密度、重力、壓力、二力平衡、液體壓強(qiáng)、力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，能夠進(jìn)行簡單的受力分析。本節(jié)對學(xué)生綜合應(yīng)用前面所學(xué)的知識、進(jìn)行受力分析的能力要求較高。

3.學(xué)生的學(xué)情和可能出現(xiàn)的難點(diǎn)

我所任教的學(xué)校，學(xué)生程度普遍比較高，班級學(xué)生學(xué)習(xí)物理的積極性和成績情況較好。但學(xué)生對于科學(xué)研究只有感性上的籠統(tǒng)認(rèn)識，缺乏理性分析和思考，操作上按部就班；學(xué)生在生活中有許多與浮力有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)，對于浮力現(xiàn)象他們也很感興趣，但缺乏科學(xué)性的認(rèn)識；觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象停留在表面、淺層次的程度，對于現(xiàn)象和結(jié)論經(jīng)常不能夠用準(zhǔn)確、完整的物理語言進(jìn)行表述。

學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容時(shí)，可能會(huì)認(rèn)為下沉的物體不受浮力，教學(xué)中要想辦法讓學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)分析證明；學(xué)生還可能會(huì)認(rèn)為飛機(jī)受浮力，所以它的升空原理也是利用了浮力——把幾種常見的飛行器的升空原理搞混淆；在探究浮力大小的影響因素時(shí)，尤其是研究浮力大小和排開液體體積的關(guān)系時(shí)，可能會(huì)認(rèn)為浮力與物體浸沒的深度有關(guān)；在講授阿基米德原理時(shí)，需要利用公式進(jìn)行推導(dǎo)變形，部分學(xué)生會(huì)遇到困難。

4.幫助學(xué)生學(xué)會(huì)的策略

策略：探究影響浮力大小的因素部分的教學(xué)，關(guān)鍵點(diǎn)是排開液體體積的這個(gè)因素，學(xué)生歸納不出。他們還是習(xí)慣從表象出發(fā)，得出浮力大小與深度有關(guān)的結(jié)論。教師可以將錯(cuò)就錯(cuò)，結(jié)合演示讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)浸沒之后改變物體的深度，浮力卻不變。過程中提醒學(xué)生注意觀察浸沒前和浸沒之后彈簧測力計(jì)示數(shù)的變化。討論時(shí)要明確“浸入”和“浸沒”的區(qū)別，從而引發(fā)認(rèn)知沖突。進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生透過“深度”變化、液面上升的現(xiàn)象，看到“排開液體體積”這個(gè)本質(zhì)。

此外，學(xué)生會(huì)提出浮力與物體的重力、物體的密度有關(guān)的猜想。教師需要引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到，比較浮力的大小是針對同一個(gè)受力物體，所以物體本身的因素不作考慮。浮力的施力物體是液體或氣體，所以猜想影響浮力大小的因素要從液體或氣體的角度來考慮。

教學(xué)片段一：探究影響浮力大小的因素

【問題串1】 大家現(xiàn)在坐在教室里受不受浮力？那為什么我們沒有浮起來呢？

【學(xué)生思考】 浮力太小了，遠(yuǎn)小于我們自身的重力。

【問題串2】 我們班不會(huì)游泳的同學(xué)，你會(huì)去長江游泳嗎？為什么？

老師給你們推薦一個(gè)好去處——死海。（展示人漂浮在死海上的圖片）

你認(rèn)為同一個(gè)人在長江里和在死海里游泳，受到的浮力一樣嗎？

你覺得浮力的大小可能和什么因素有關(guān)？

【學(xué)生思考】 浮力大小可能和液體密度有關(guān)。ρ液越小，浮力越小。

【問題串3】 剛才同學(xué)們觀察“下沉物體是否受浮力”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，（教師再次演示實(shí)驗(yàn)）

有沒有注意到測力計(jì)示數(shù)是如何變化的？說明浮力的大小怎樣變化？

什么時(shí)候浮力就不變了？說明浮力大小還和什么因素有關(guān)？

【學(xué)生思考】 隨著物體浸入液體的深度增加，浮力先變大，完全浸沒后浮力不變。浮力大小可能和物體在液體中的深度有關(guān)。

【教師演示】 將物體完全浸沒在水中，改變物體在水中的深度，觀察到測力計(jì)示數(shù)不變，說明此時(shí)浮力跟浸沒深度無關(guān)，只跟浸入深度有關(guān)。

【問題串4】 為什么浮力只和浸入深度有關(guān)？仔細(xì)觀察，隨著物體浸入液體深度增加，液面發(fā)生什么變化？為什么液面會(huì)上升？浸沒之后液面還會(huì)上升嗎？為什么？透過深度變化這個(gè)現(xiàn)象看本質(zhì)，浮力到底和什么因素有關(guān)？

【教師總結(jié)】 物體浸入液體，液體被排開，液面上升，浸入越深，排開液體的體積越大，浮力越大；浸沒之后，排開液體體積就等于物體的體積不再變化，所以液面不變，浮力不變。這說明浮力和排開液體的體積有關(guān)。V排越大，浮力越大。

【問題串5】 浮力和ρ液、V排有關(guān)，如果要通過實(shí)驗(yàn)研究它們的關(guān)系，要注意什么？

下面哪幾幅圖是研究浮力和ρ液的關(guān)系？物體在水中和在鹽水中的浮力分別是？

哪幾幅圖是研究浮力和V排的關(guān)系？能得到什么結(jié)論？

【學(xué)生思考】 注意控制變量。從圖中可以分析得到：液體密度越大、排開液體的體積越大，浮力越大。

【設(shè)計(jì)意圖】 學(xué)生會(huì)從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象輕易得出浮力大小和深度有關(guān)的結(jié)論，這是片面的、膚淺的，也是絕大部分學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)都會(huì)遇到的難點(diǎn)。教師不應(yīng)該一開始否定學(xué)生的結(jié)論，灌輸“V排”的意義，而要通過精心的設(shè)問讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己思維中的問題：浸沒之后改變深度，浮力卻不變。浮力和浸沒深度無關(guān)，只和浸入深度有關(guān)。這是為什么呢？便又激起了學(xué)生探究欲望。接著教師要引領(lǐng)學(xué)生透過“深度”這個(gè)表象認(rèn)識到“排開液體體積”的本質(zhì)。層層遞進(jìn)的問題串使學(xué)生有層次、有邏輯性地認(rèn)識影響浮力大小的因素，而不是胡亂的猜測。

5.實(shí)驗(yàn)的操作和價(jià)值挖掘

“阿基米德原理”是在定性探究影響浮力大小因素之后，對浮力更高層次的定量探究。雖然教材上直接給出了原理的內(nèi)容，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。但實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生會(huì)想不到浮力跟排開液體重力會(huì)有關(guān)系。平鋪直敘的講授并不能解決學(xué)生心中的困惑，也不能使學(xué)生形成深刻的認(rèn)識。對此不妨可以嘗試一下“理論探究”：把兩個(gè)定性影響的因素ρ液、V排乘起來剛好得到一個(gè)有意義的物理量m排，再乘以g就得到G排，這是一個(gè)力，可以猜想它和浮力相等，接著進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想。這就充分挖掘了該實(shí)驗(yàn)的教育價(jià)值，鍛煉了學(xué)生利用公式進(jìn)行理論推導(dǎo)的能力。

教學(xué)片段二：阿基米德原理

【問題串1】 已經(jīng)得到了定性的結(jié)論，那么浮力的大小到底等于多少呢？我們可以嘗試一下理論探究：

寫出浮力計(jì)算公式，等號右邊的物理量計(jì)算出來也應(yīng)該是一個(gè)力。我們已經(jīng)知道浮力和ρ液、V排有關(guān)，你看到這兩個(gè)物理量有什么想法？若把它們乘起來能不能得到一個(gè)有意義的物理量呢？質(zhì)量和力是不能劃等號的，再做怎樣的變化就有可能相等？

【學(xué)生思考】 ρ液、V排乘起來得到的是排開液體的質(zhì)量，再乘以g就可以得到排開液體的重力，它有可能等于浮力的大小。猜想：F浮=G排=ρ液gV排

【設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)】 1.目的：驗(yàn)證F浮和G排是否相等。

2.用“二次稱重法”測浮力，實(shí)際需要測G物、F拉。

3.用溢水杯接溢出的水測G排，實(shí)際需要測G桶、G總。

4.介紹溢水杯使用：注意初始水面應(yīng)剛好到達(dá)溢水口。

【設(shè)計(jì)表格】

G物/NF拉/NF浮/NG桶/NG總/NG排/N

【分組實(shí)驗(yàn)】 學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析數(shù)據(jù)可以得到：（在誤差允許范圍內(nèi)）浮力的大小等于排開液體重力，猜想正確。

【得出結(jié)論】 阿基米德原理：浮力的大小等于排開液體或氣體的重力，同樣適用于氣體。寫成公式即F浮=G排，寫出推導(dǎo)式即：F浮=ρ液gV排可以用來計(jì)算浮力的大小。

【問題討論】 1.當(dāng)物體完全浸沒時(shí)，V排=V物；當(dāng)物體部分浸入時(shí)，V排=V浸。

2.導(dǎo)出公式兩個(gè)。

3.帶入計(jì)算時(shí)ρ液的單位只能是kg/m3，V排的單位只能是m3，注意單位換算。

【設(shè)計(jì)意圖】 物理科學(xué)探究不一定局限于實(shí)驗(yàn)探究，也可以通過公式、運(yùn)算進(jìn)行理論探究，這對所有學(xué)生的思維能力和邏輯推理能力是很好的鍛煉，創(chuàng)造性的理論探究教學(xué)方式使這部分的教學(xué)自然流暢、嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)，充分滿足了學(xué)生的認(rèn)知需求，不失為整節(jié)課的亮點(diǎn)所在。

“學(xué)科教學(xué)知識（PCK）”是為了有效傳授一門學(xué)科必須擁有的知識，是教師特有的知識及教師個(gè)人獨(dú)一無二的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，是教師在專業(yè)實(shí)踐中獲得的對自己專業(yè)獨(dú)特的理解。成功的教師是有智慧的教師，他并不是只對概念、原則或理論有所理解，而是為了促進(jìn)學(xué)生理解，知道如何把“學(xué)術(shù)形態(tài)知識”加以變化、轉(zhuǎn)換。“轉(zhuǎn)化”本身體現(xiàn)了學(xué)科知識表征和學(xué)生理解，是多種知識和過程的“融合”，所以，“轉(zhuǎn)化”的智慧也是一種“融合”的智慧。為了擁有“轉(zhuǎn)化”與“融合”的智慧，教師需要對知識進(jìn)行邏輯分析和對學(xué)生進(jìn)行心理分析，需要了解學(xué)科中心的主題并據(jù)此采用適當(dāng)方法進(jìn)行教學(xué)，需要根據(jù)特定的教學(xué)對象、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)環(huán)境進(jìn)行教學(xué)優(yōu)化和設(shè)計(jì)，并努力將傳授知識、啟迪智慧和完善人格有機(jī)地結(jié)合起來。無論我們是否完全采用上述中學(xué)物理教師PCK結(jié)構(gòu)，它至少讓我們想到要將先進(jìn)的教育理念、新時(shí)代的發(fā)展要求，逐步具體地落實(shí)到每一層次的知識轉(zhuǎn)化、教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)活動(dòng)之中，使之產(chǎn)生教育價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1]趙靜宜，周艷芳，周治.遵循PCK理論，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)[J].考試周刊，2015（84）.

[2]湯家合.基于PCK理論的教學(xué)設(shè)計(jì)——以“向心加速度”概念教學(xué)為例[J].物理教師，2017，38（5）.

[3]謝盈盈.基于PCK理論的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)[J].中學(xué)政治教學(xué)參考，2011（26）.

[4]盛宏立.基于PCK理論改進(jìn)物理課堂探究實(shí)驗(yàn)的研究[J].課程教育研究，2012（18）.

[5]馮爽.中學(xué)物理教師PCK結(jié)構(gòu)的構(gòu)建及主題案例分析[J].中小學(xué)教師培訓(xùn)，2013（06）.